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增（zēng）減材混合五軸裝備及應（yīng）用技術

2020-8-14 來源：大連三壘科技有限公司（sī）作者：呂建忠

在金（jīn）屬加（jiā）工領域由物理方式實（shí）現各種形（xíng）狀的製造方法，歸納起（qǐ）來包括等材、減材和增（zēng）材製造技術。等材製造就是具有兩千年曆史的鑄鍛造技術，技術特征為材料受熱（rè）變形獲（huò）得接近最終形狀的零（líng）件。減（jiǎn）材製（zhì）造是有兩百年曆史的機械加（jiā）工技術，特征是去除材料，可獲得精密形狀的零件。增材製造技術融合了信息技（jì）術、數字（zì）製造技術和（hé）材料（liào）科學等學科，通過（guò）增加材（cái）料（liào）的方式獲（huò）得零件。

廣義上的金屬增材製造技術包括直接能量沉積（DED，Direct EnergyDeposition）和粉末床熔融（PBF，Powder Bed Fusion）兩種直（zhí）接（jiē）成型技術，其中的直接能量沉積技術沉積效率高，裝備成本低，適合大型複雜零件的接近最終形狀的直接製造，可以得到冶金結合的致密金屬實（shí）體，適合中大尺寸零件的直接製備、修複和功能梯度（dù）材料的開發（fā）等用途。

本文介紹一款增（zēng）減材混（hún）合（hé）五軸製造裝備及其（qí）應用技術。

1、原理

直接能量沉積技術中的能量來源多種多樣，包括激光束、等離子束、電子束（shù）、電弧乃至超聲波等，其中激光束由於具備能量密度高，功率、波長和光束直徑（jìng）可選擇範圍廣，易於與自動化裝備集成（chéng）等優勢，廣泛用於增材（cái）製造領域（見圖1）。

圖 1

激光作為熱源，將粉末或（huò）者絲材熔融，在係統運動機構驅動下形成一個平麵結構（gòu），然後層層堆積，逐步形成（chéng）三維的幾何形狀。

2、裝（zhuāng）備

將直接能量沉（chén）積技術和傳統五軸加工技術融合於一體的混合五軸增材製造技術，不僅很好地發揚各自的（de）優點，還形成了增減混合，邊增邊減的獨特工藝。

精密的五軸（zhóu）聯動加工中心是整機性能的保障。大連三壘科技有限公司研發的立式五軸聯動加工中心SVW80C-3D是一款增減混（hún）合加工設備，床身、立柱和滑枕等主要部件均采（cǎi）用高強度鑄鐵（tiě），具（jù）有可靠的剛性和吸震性。主要部件結構均經過有限元分析優化，最大限度地保證結構合（hé）理（見圖2）。

圖 2

滑枕為四（sì）方向導軌，橫梁部分為“箱（xiāng）中（zhōng）箱”結構，直線軸采用雙絲杠驅（qū）動結構，保證機（jī）床長期運轉的高精度、高剛性和高穩定性（xìng）（見圖3）。

圖3

機床（chuáng）采（cǎi）用高動態響應性的A、C軸搖籃（lán）式（shì）轉（zhuǎn）台，形成了高（gāo）精度五軸聯動立式結構。所有的伺服軸均配有德國海德漢光柵（shān）尺，保證線性（xìng）軸定位精度在8μm，旋轉軸的定位精度在5″以內。

SVW80C-3D具有較大的行程（見圖4），可打印（yìn）工件尺寸可達800mm×440mm；配置（zhì）光纖激光（guāng）器功率2kW，沉積（jī）效率達到300cm3/h以上。

圖4 SVW80C-3D增減材五軸加工中心

3、應用

增減混合（hé）五（wǔ）軸加工中心與傳統（tǒng）的三軸加工中心相比，表現出獨特的優勢。

在減材（cái）方（fāng）麵：五軸聯動（dòng）與三軸係統相比增加了A、C軸的搖籃式（shì）回轉工作台,對工件一次裝夾，可實現全方位、多角度的切削加工，有效改（gǎi）善工件的（de）表麵質量，提高工作效率。

在增材方麵：五軸聯動實現了（le）增材製造從平麵切片向空間曲麵切片（piàn），從（cóng）三軸向（xiàng）五軸增材製造的跨越。五軸“打印”不僅可以任意角度傾斜，最大限度減少輔助支撐，節省大量時間和材料；而且能實現曲麵定向和變姿態擺動（dòng）沉積（jī），為複雜、精密零件（jiàn）如內流道結構（gòu）的製造提供了可能。

增減材混合直接製（zhì）造葉輪零件如圖5所示。

圖5 增減材混合直接製（zhì）造葉輪

增減混合五軸加工中心用途非常廣（guǎng）泛，除了上述混合增材製造以（yǐ）外，還可用（yòng）於零件表麵（miàn）塗層改性、修（xiū）複再製造、材料梯度功能結構（gòu）製造等多（duō）個方麵。

3D打（dǎ）印使用的金屬粉末一般要求純淨度高、球形度好、粒徑分布窄（zhǎi）、氧含量低。目（mù）前，適（shì）用於增（zēng）減混合增材製造的金屬粉末材料主要有：工具鋼、不鏽鋼、鈷鉻合金、鋁合金、鎳（niè）基合金、銅基合（hé）金等。其（qí）中，不鏽鋼作為金屬3D打（dǎ）印經常使用的一類性價（jià）比較高的金屬粉末材料，由於具有耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質腐蝕的特性，可以（yǐ）在空（kōng）氣中（zhōng）直接“打印”。而對於較活潑的（de）金（jīn）屬則（zé）須在惰性氣氛保護下進行“打印”。

在2016年進行的一項合（hé）作（zuò）研究結果顯示，使用增減（jiǎn）混合五（wǔ）軸（zhóu）聯動加工中心沉積316L不鏽鋼樣件的抗（kàng）拉強度、屈（qū）服強度、塑性均高於鍛造水平。就當時的試驗數據來看，沉積長度方向與高度方向的力學性能基本接近，各項異性不明顯（見圖6）。同時，沉積後的材料成分完全符合316L成分標準

圖6

4、發展

增減混合裝備技術，並非簡單的兩種工藝疊加，而是要（yào）同時（shí）解決異種工藝的協調控製和直接能量沉積技術的固有裝備技術問題。三壘科技在成功（gōng）研發增減材裝（zhuāng）備的基礎上，進行了多方麵的技術探索，立體溫度調控（kòng）技術就是其中之一。所謂（wèi）立體溫度調控，就是熔（róng）池、基礎和兩者之間已成型覆材的溫度監（jiān）視與控製。

基礎溫度調控可以（yǐ）降低裂紋敏感性。試驗（yàn）表（biǎo）明，對零（líng）件或者基板在熔覆前進行預熱和熔覆後的緩冷在線處（chù）理均（jun1）會顯著降低裂紋敏感性。立體的溫度調控可以控製凝固組織形貌。基板預熱溫度越（yuè）低，激光沉（chén）積成形過程中基板與覆材的溫差（chà）越大，使得該方向的（de）溫度梯度越高，則易於形成細長密集（jí）的近（jìn）似（sì）並行（háng）生長的枝晶。基板預熱溫度越高，激光沉積成形過程中基板與覆材的溫差越（yuè）小，使得該方向的溫度梯度越低；而（ér）較慢的散熱過程（chéng）使得凝（níng）固過程相對放緩,枝晶有更多的時間生長（zhǎng），凝固組織容易形成等軸晶。帶（dài）有溫度調控的直接能量沉（chén）積技術，在原（yuán）理上更容易實現單晶合金的增材製備（見圖7）。

圖（tú）7

5、結語

增減（jiǎn）材製造是新（xīn）興的技術，近些年伴隨著增材製造的熱潮而逐漸興起，但直接能量沉（chén）積技術本身的技術成（chéng）熟度不高，尚有大量的基礎（chǔ）科技問題需要攻克。將直接能（néng）量沉積的增（zēng）材（cái）與傳統（tǒng）加工中心結合的增減材混合（hé）技術（shù），尚處於兩種工藝結合的初始階段，有（yǒu）修遠的道路等待科研人員上下求索。

文自：《世界（jiè）製造技術與裝備市場》

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